基于CRUISE的FSAE賽車(chē)動(dòng)力性能匹配優(yōu)化研究

毛鴻

邵陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 湖南省邵陽(yáng)市 422000

1 引言

在FSAE賽車(chē)的各項(xiàng)性能的影響因素中，發(fā)動(dòng)機(jī)及其與動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的合理匹配對(duì)其動(dòng)力性能有著直接的影響。優(yōu)化匹配動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)是改善發(fā)動(dòng)機(jī)性能、提高整車(chē)綜合性能的有效途徑之一。在傳統(tǒng)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)匹配方法開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)、成本高的情況下，使用AVL公司開(kāi)發(fā)的CRUSIE軟件能夠有效對(duì)車(chē)輛的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行預(yù)測(cè)和評(píng)估，為新車(chē)的研發(fā)節(jié)省大量的試驗(yàn)費(fèi)用，有效縮短開(kāi)發(fā)周期[1-3]。

本論文以邵陽(yáng)學(xué)院2015年參賽賽車(chē)為基礎(chǔ)模型，對(duì)賽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)的重要參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算，并在CRUISE軟件中建立了賽車(chē)的整車(chē)模型，基于賽車(chē)參數(shù)對(duì)建好的模型進(jìn)行了仿真分析，并對(duì)賽車(chē)的相關(guān)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，提高賽車(chē)的動(dòng)力性能。

2 FSAE賽車(chē)計(jì)算

邵陽(yáng)學(xué)院方程式賽車(chē)選用的是本田宏達(dá)CBR600rr這款自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)，排量為599毫升，氣缸布置形式為直列四缸，發(fā)動(dòng)機(jī)噴油方式為電控式進(jìn)氣道多點(diǎn)噴射。本田宏達(dá)CBR600rr發(fā)動(dòng)機(jī)變速箱為6速手動(dòng)變速箱，其各檔位變速比如表1所示。

發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量被限制后，最大功率P為47 kw，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n為11000rpm。對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的最大值取最大轉(zhuǎn)矩44（N·m），對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為9000rpm，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)各級(jí)傳動(dòng)效率統(tǒng)一取值為0.9，得到發(fā)動(dòng)機(jī)的各檔位驅(qū)動(dòng)力及最大行駛速度見(jiàn)表2。

3 整車(chē)模型的建立

FSAE賽車(chē)的結(jié)構(gòu)布置為發(fā)動(dòng)機(jī)后輪后驅(qū)，使用六速手動(dòng)變速器，其他布置和傳統(tǒng)汽車(chē)類(lèi)似。在CRUISE中建立各部件模塊，各模塊之間需要進(jìn)行物理連接以及數(shù)據(jù)信號(hào)連接，連接后建立的模型如圖1所示，在進(jìn)行物理連接時(shí)要考慮動(dòng)力傳遞的方向性，在進(jìn)行數(shù)據(jù)總線(xiàn)連接時(shí)，應(yīng)考慮到信號(hào)在各個(gè)零部件之間的輸入及輸出方向[4-5]。在建立好賽車(chē)模型后，還應(yīng)對(duì)每個(gè)模塊輸入相應(yīng)的參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。

4 模型驗(yàn)證及仿真

針對(duì)全負(fù)荷加速性能計(jì)算任務(wù)，選擇各檔起步最大加速度計(jì)算任務(wù)、原地起步連續(xù)換擋加速性能計(jì)算任務(wù)進(jìn)行仿真分析。在這里，需要用到的設(shè)置是測(cè)試點(diǎn)設(shè)置，在測(cè)試點(diǎn)設(shè)置中設(shè)置起點(diǎn)、終點(diǎn)、測(cè)試間隔。完成后對(duì)模型進(jìn)行仿真計(jì)算，可得到賽車(chē)到達(dá)每個(gè)測(cè)試點(diǎn)所需時(shí)間。

巡航行駛工況計(jì)算主要任務(wù)有兩個(gè)：建立賽道模型、測(cè)試賽車(chē)圈速。本文選取上?？ǘ≤?chē)世界賽道來(lái)建立賽道模型。測(cè)得賽道長(zhǎng)度和每個(gè)彎道曲率，通過(guò)實(shí)測(cè)得出賽車(chē)車(chē)速隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)表，將數(shù)據(jù)錄入巡航行駛工況即完成賽道模型的建立。

表1 CBR600rr發(fā)動(dòng)機(jī)各檔位變速比

表2 發(fā)動(dòng)機(jī)各擋位驅(qū)動(dòng)力及最大行駛速度

圖1 賽車(chē)整車(chē)模型

仿真任務(wù)建立好后，即可FSAE賽車(chē)進(jìn)行仿真計(jì)算。通過(guò)仿真，我們得到了賽車(chē)每檔的對(duì)應(yīng)最大加速度，如表3所示。

表3 賽車(chē)模型仿真結(jié)果

仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較見(jiàn)表4，可知：所得仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的偏差不大，在誤差允許的范圍內(nèi)，滿(mǎn)足仿真精度要求。因此該模型的建立是準(zhǔn)確的，可以作為后續(xù)研究的參考。

5 優(yōu)化方案

本文選用 GATBX 優(yōu)化工具對(duì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化編程，并且Cruise 軟件的矩陣計(jì)算功能可以同時(shí)仿真多個(gè)參數(shù)的任意組合對(duì)整車(chē)性能的影響，使用起來(lái)也很方便[6]。以主減速比和各檔傳動(dòng)比作為變量，建立目標(biāo)函數(shù)，用MATLAB軟件對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，得到賽車(chē)優(yōu)化前后0-75米加速時(shí)間的結(jié)果對(duì)比如表5所示。

表4 仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表5 賽車(chē)優(yōu)化前后0-75米加速時(shí)間表

通過(guò)優(yōu)化前后的結(jié)果對(duì)比可以看出，優(yōu)化后FSAE賽車(chē)的加速時(shí)間比優(yōu)化前降低了3.7%，賽車(chē)在0-75米加速的項(xiàng)目成績(jī)有所提升，選擇賽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化方案如表6所示。

繼續(xù)選擇主減速比作為仿真變量，主減速比最優(yōu)值大約在6.1左右，取其變化范圍為5～7，間隔取0.1，對(duì)每個(gè)變速比下的FSAE賽車(chē)動(dòng)力性能進(jìn)行仿真計(jì)算，分析其動(dòng)力性能與主減速比的變化關(guān)系，所得關(guān)系曲線(xiàn)如圖2所示，從圖中可以看出，F(xiàn)SAE 賽車(chē)的0-75 米加速時(shí)間隨著主減速比的增加呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)，并在主減速比為 6.2 附近時(shí)達(dá)到了加速時(shí)間最小值點(diǎn)，因此所選擇的賽車(chē)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)匹配方案是合理的。

表6 賽車(chē)動(dòng)力參數(shù)傳動(dòng)比優(yōu)化方案

圖2 主減速比與0-75米加速時(shí)間的關(guān)系

6 結(jié)語(yǔ)

本論文以邵陽(yáng)學(xué)院2015年參賽賽車(chē)為基礎(chǔ)，通過(guò)AVL—CRUISE軟件對(duì)其建模，并針對(duì)0-75米連續(xù)換擋加速時(shí)間比賽項(xiàng)目對(duì)賽車(chē)模型進(jìn)行仿真計(jì)算，經(jīng)過(guò)驗(yàn)證該模型可靠，可作后續(xù)研究。基于該模型研究了主減速比對(duì)賽車(chē)加速性能的影響，得到了主減速比與賽車(chē)加速時(shí)間的關(guān)系圖，提出了一套賽車(chē)傳動(dòng)系參數(shù)優(yōu)化方案，驗(yàn)證了所選方案能有效降低賽車(chē)的0-75米加速時(shí)間，提高FSAE賽車(chē)的加速性能。